kozmos.hr
Jeste li znali?

Zašto se unutrašnjost Sunčevog sustava vrti sporo?

Simplificiran i ilustrativan prikaz planeta Sunčevog sustava. Unutarnji dio Sunčevog sustava čine stjenoviti planeti – Merkur, Venera, Zemlja i Mars – a nakon pojasa asteroida započinju vanjski plinoviti planeti – Jupiter, Saturn, Uran i Neptun (©NASA).
objavljeno

Znanstvenici već dugo znaju da se unutrašnji planeti Sunčevog sustava vrte sporije nego bi trebali, a nova teorija možda napokon objašnjava zašto.

Vrte se sporije od očekivanog

Unutrašnji planetu Sunčevog sustava okreće se mnogo sporije nego što predviđaju zakoni moderne fizike, a nova bi studija mogla pomoći da se objasni zašto.

No, kako bismo odgovorili na to pitanje najprije se treba osvrnuti na to kako solarni sustavi uopće nastaju – tj. kako se formiraju planeti oko matične zvijezde. Tanki disk plina i prašine – poznat kao akrecijski diskspiralno se okreće oko mladih zvijezda. Od ovih diskova vremenom se formiraju planeti, a sadrže ‘višak’ materijala preostao nakon stvaranje zvijezda, a ako govorimo o masi ovog ‘viška’ on predstavlja tek djelić mase novonastale zvijezde. Prema zakonu o održanju kutne količine gibanja, unutarnji dio diska trebao bi se vrtjeti brže dok se materijal polako spiralno okreće prema zvijezdi; slično kao što se par klizači na ledu okreće brže što više približe ruke tijelu.

Simplificiran i ilustrativan prikaz planeta Sunčevog sustava. Unutarnji dio Sunčevog sustava čine stjenoviti planeti – Merkur, Venera, Zemlja i Mars – a nakon pojasa asteroida započinju vanjski plinoviti planeti – Jupiter, Saturn, Uran i Neptun (©NASA).
Simplificiran i ilustrativan prikaz planeta Sunčevog sustava. Unutarnji dio Sunčevog sustava čine stjenoviti planeti – Merkur, Venera, Zemlja i Mars – a nakon pojasa asteroida započinju vanjski plinoviti planeti – Jupiter, Saturn, Uran i Neptun (©NASA).

Međutim, prethodna promatranja su pokazala da se unutarnji Sunčev sustav – područje Sunčevog sustava koje se proteže od Sunca do asteroidnog pojasa i uključuje stjenovite planete – ne vrti tako brzo kako je predviđeno zakonom o održanju kutnog momenta. Koristeći nove simulacije virtualnog akrecijskog diska, znanstvenici s Kalifornijskog instituta za tehnologiju (Caltech) pokazali su kako čestice u akrecijskom disku međusobno djeluju.

Novo objašnjenje

„Kutni moment proporcionalan je brzini puta radijusu, a zakon očuvanja kutnog momenta kaže da kutni moment u sustavu ostaje konstantan.“, napisali su istraživači s Caltecha u izjavi te dodali – „dakle, ako se radijus klizača [referirajući se na gornju usporedbu] smanji jer su uvukli ruke, tada je jedini način da se kutni moment zadrži konstantnim povećanje brzine vrtnje.“

Tu dolazimo do ključnog pitanja – zašto kutni moment unutarnjeg akrecijskog diska nije očuvan? Ranija istraživanja pokazala su da trenje između područja akrecijskog diska ili magnetskih polja koja stvaraju turbulenciju (i stvaraju trenje) mogu usporiti brzinu rotacije plina. „Ljudi uvijek žele kriviti turbulenciju za fenomene koje ne razumiju. Trenutno postoji mnoštvo ljudi koji tvrde i smatraju da je turbulencija odgovorna za uklanjanje kutnog momenta u akrecijskim diskovima,“ rekao je u izjavi Paul Bellan, profesor primijenjene fizike na Caltechu i koautor studije.

Umjetnički prikaz prašine i plina koji okružuju zvijezdu na početku formiranja novog solarnog sustava (©NASA).
Umjetnički prikaz prašine i plina koji okružuju zvijezdu na početku formiranja novog solarnog sustava (©NASA).

Kako bi bolje razumijeli gubitak kutne količine gibanja tim je proučavao putanje pojedinačnih atoma, iona i plina u akrecijskom disku te, zauzvrat, kako se čestice ponašaju tijekom i nakon sudara.

Novi model i testiranje

Pritom je važno držati na umu da na nabijene čestice – elektrone i ione – utječu i gravitacija i magnetska polja, dok na neutralne atome utječe samo gravitacija! Istraživači su koristili računalne modele za simulaciju akrecijskog diska od 1000 nabijenih čestica koje se sudaraju s 40 000 neutralnih čestica u magnetskom i gravitacijskom polju.

Otkrili su da interakcija između neutralnih atoma i mnogo manjeg broja nabijenih čestica rezultira pozitivno nabijenim ionima ili kationima koji se spiralno okreću prema unutra, a negativno nabijenim česticama ili elektronima koji se kreću prema van prema rubu akrecijskog diska. U međuvremenu, neutralne čestice gube kutni moment i spiralno se kreću prema središtu.

Zauzvrat, akrecijski disk djeluje kao gigantska baterija, s pozitivnim ‘terminalom’ u blizini središta diska i negativnim ‘terminalom’ na rubu diska. Ovi terminali stvaraju snažne struje ili mlazove materijala koji pucaju u svemir s obje strane diska – „Ovaj model je imao dovoljnu količinu detalja da uhvati sve bitne značajke jer je bio dovoljno velik da se ponaša poput bilijuna i bilijuna neutralnih čestica, elektrona i iona koji se sudaraju oko zvijezde u magnetskom polju,“ zaključili su istraživači.

Implikacije tumačenja

Računalne simulacije sugeriraju da dok se kutni moment gubi, kanonski kutni moment — zbroj izvornog običnog kutnog momenta plus dodatna količina koja ovisi o naboju čestice i magnetskom polju — ostaje sačuvan.

„Budući da su elektroni negativni, a kationi pozitivni, kretanje iona prema unutra i kretanje elektrona prema van – koje je uzrokovano sudarima – povećava kanonski kutni moment i iona i kationa. Neutralne čestice gube kutni moment kao rezultat sudara s nabijenim česticama i kreću se prema unutra, što uravnotežuje povećanje kanonskog kutnog momenta nabijene čestice,“ objasnili su istraživači.

15 zanimljivosti o Sunčevom sustavu

Pridružite se raspravi u našoj Telegram grupi. KOZMOS Telegram

t.me/kozmoshr

Izvori:

Yang Zhang, Paul M. Bellan, „Neutral-charged-particle Collisions as the Mechanism for Accretion Disk Angular Momentum Transport,“ The Astrophysical Journal (2022).

Samantha Mathewson (21. srpnja 2022.), „The inner solar system spins much more slowly than it should. Now, scientists may know why,“ space.com (pristup 24. srpnja 2022).

Anonymus (6. srpnja 2022.), „Why Does the Inside of the Solar System Not Spin Faster? An Old Mystery Has a Possible New Solution,“ caltech.edu (pristup 24. srpnja 2022).

 

Student povijesti koji u slobodno vrijeme voli čitati i pisati o svojim najdražim temama - povijesti, svemiru i astronomiji.